JP4877656B2 - 燃料電池システムおよびその電流制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、特にシステム要求電力制御時の電流制限に関する。

水素と酸素との電気化学反応を利用して発電する燃料電池としては、例えば、固体高分子型燃料電池がある。この固体高分子型燃料電池は、複数のセルを積層して構成されたスタックを備えている。スタックを構成するセルは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）とを備えており、これらのアノードとカソードとの間には、イオン交換基としてスルフォンサン基を有する固体高分子電解質膜が介在している。

アノードには燃料ガス（水素ガスまたは炭化水素を改質して水素リッチにした改質水素）を含む燃料ガスが供給され、カソードには酸化剤として酸素を含むガス（酸化剤ガス）、一例として、空気が供給される。アノードに燃料ガスが供給されることで、燃料ガスに含まれる水素がアノードを構成する触媒層の触媒と反応し、これによって水素イオンが発生する。発生した水素イオンは固体高分子電解質膜を通過して、カソードで酸素と電気反応を起こす。この電気化学反応によって発電が行われる構成となっている。

ところで、自動車用動力源として燃料電池を用いる場合、低負荷から高負荷まで広い範囲の使用状態に対応できることが必要であるが、不適な条件で燃料電池を運転すると、期待どおりの電気化学反応が得られなくなることがある。例えば、高分子電解質膜に含まれる水分量が不足すると、特に低温時には、その飽和蒸気圧が低いことに伴って、必要十分な水分を供給ガスに与えることが難しくなる。

そこで、例えば、特開平７−２７２７３６号公報では、燃料電池の反応温度を検出し、この反応温度により、制御用テーブルを検索して、許容し得る最低電圧のしきい値を選択し、燃料電池のモニタ電圧がしきい値よりも小さいときには、電解質に含まれる水分量が不足しているとして、負荷に供給する電流をカットするようにした発明が提案されている（特許文献１参照）。

一方、複数のセルを有する燃料電池を用いた場合、複数のセルの中の１つでも発電不能になると、燃料電池全体が発電不能になることがある。そこで、例えば、特開２００３−１８７８４２号公報では、各セルの電圧を測定し、測定されたセル電圧の中の最低値である最低セル電圧に基づいて、燃料電池スタックで出力可能な電力量を算出するとともに、出力可能な電力量以下の電力量を燃料電池スタックに発生させ、任意の１つのセルの性能が低下したときにも、燃料電池スタックをこれに応じて適切な運転状態で運転させるようにした発明が提案されている（特許文献２参照）。
特開平７−２７２７３６号公報 特開２００３−１８７８４２号公報

複数のセルのうち任意の１つのセルの性能が低下したときにも、燃料電池スタックを、これに応じて適切な運転状態で運転させるに際して、燃料電池スタックの最低セル電圧としきい値電圧との差分を用いたＰＩ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）制御で要求電流を補正制御することが好ましいが、要求電流をＰＩ補償にしたがって補正する際に、現時点の電流によってＰＩ補償のゲインを一定にすると制御性が低下することが危惧される。

本発明は、前記従来技術の課題に鑑みて為されたものであり、その目的は、最低セル電圧としきい値電圧との差分を用いたＰＩ補償で要求電流を補正して目標電流値を求めて燃料電池の電流を制御する際に、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることにある。

前記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、該燃料電池の電流を検出する電流検出部と、各該セルにおけるセル電圧を検出するセル電圧検出部と、システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を該セル電圧検出部の検出による最低セル電圧に基づいてＰＩ補償する制御演算部と、を備え、該制御演算部は、該現在の該燃料電池の電流に基づいて要求電流の該ＰＩ補償のための比例ゲインを変更することを特徴とする。

また本発明の燃料電池システムのための電流制御方法は、複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電流制御方法であって、各該セルにおけるセル電圧を検出するステップと、システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を、最低セル電圧に基づいてＰＩ補償するステップと、現在の該燃料電池の電流値に基づいて要求電流の該ＰＩ補償のための比例ゲインを変更するステップを備えたことを特徴とする。

係る構成によれば、燃料電池の発電量を制御するに際して、各セルにおける最低セル電圧を検出し、システム要求電力に対応した要求電流を最低セル電圧に基づいてＰＩ補償するときに、現在の電流（現時点で検出された電流）に基づいて要求電流のＰＩ補償のための比例ゲインを変更するようにしたため、システム要求電力に対応した要求電流が現時点の電流に基づいて可変に調整されるため、例えば、現時点の電流が大きい程、比例ゲインを大きくすることで、ＰＩ補償の比例ゲインを一定にしたときよりも、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることができる。

前記燃料電池システムを構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。

例えば、好適には、前記制御演算部は、前記最低セル電圧検出部の検出による最低セル電圧が所定の許容電圧以下となった場合に、システムを停止する。

係る構成によれば、最低セル電圧が所定の許容電圧以下、より具体的には、最低電圧基準値（最低電圧しきい値）以下になったときに、最低電圧基準値と最低セル電圧との偏差を所定時間積分し、その積分値が一定値以下のときにシステムを停止することで、最低セル電圧を記録したセル、ひいてはシステム全体を保護することができる。

好適には、前記制御演算部は、所定の最低セル電圧しきい値Ｖｔｈと前記最低セル電圧Ｖｍとの差をΔＶとし、該比例ゲインをＫｐとし、積分ゲインをＫｉとしたときに、前記要求電流の補正量ΔＩを、Ｋｐ×ΔＶ+Ｋｉ×ΣΔＶで演算する。

係る構成によれば、現時点の電流によって比例ゲインＫｐを可変にすることで、要求電流を最低セル電圧に基づいてＰＩ補償された要求電流を求めると、最低セル電圧が最低セル電圧基準値（最低セル電圧しきい値）以下にならないように燃料電池の電流量を制御することが可能になる。

本発明によれば、ＰＩ補償の比例ゲインを一定にしたときよりも、燃料電池の電流を目標電流値にするための制御性を高めることができる。

図１は、本発明が適用された燃料電池システムのシステム構成図である。

図１において、燃料電池システム１０は、燃料電池２０に燃料ガス（水素ガス）を供給するための燃料ガス供給系統４と、燃料電池２０に酸化ガス（空気）を供給するための酸化ガス供給系統７と、燃料電池２０を冷却するための冷却液供給系統３と、燃料電池２０からの発電電力を充放電する電力系統９とを備えて構成されている。

燃料電池２０は、フッ素系樹脂などにより形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜などから成る高分子電解質膜２１の両面にアノード極２２とカソード極２３をスクリーン印刷などで形成した膜・電極接合体（ＭＥＡ）２４を備えている。膜・電極接合体２４の両面は、燃料ガス、酸化ガス、冷却水の流路を有するセパレータ（図示せず）によってサンドイッチされ、このセパレータとアノード極２２およびカソード極２３との間に、それぞれ溝状のアノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６を形成している。アノード極２２は、燃料極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成され、カソード極２３は、空気極用触媒層を多孔質支持層上に設けて構成されている。これら電極の触媒層は、例えば、白金粒子を付着して構成されている。

アノード極２２では、次の（１）式の酸化反応が生じ、カソード極２３では、次の（２）式の還元反応が生じる。燃料電池２０全体としては、次の（３）式の起電反応が生じる。

Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^-・・・（１）
（１／２）Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ・・・（２）
Ｈ₂＋（１／２）Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ・・・（３）
なお、図１では説明の便宜上、膜・電極接合体２４、アノードガスチャンネル２５およびカソードガスチャンネル２６からなる単位セルの構造を模式的に図示しているが、実際には、上述したセパレータを介して複数の単位セル（セル群）が直列に接続したスタック構造を備えている。

燃料電池システム１０の冷却液供給系統３には、冷却液を循環させる冷却路３１、燃料電池２０から排水される冷却液の温度を検出する温度センサ３２、冷却液の熱を外部に放熱するラジエータ（熱交換器）３３、ラジエータ３３へ流入する冷却液の水量を調整するバルブ３４、冷却液を加圧して循環させる冷却液ポンプ３５、燃料電池２０に供給される冷却液の温度を検出する温度センサ３６などが設けられている。

燃料電池システム１０の燃料ガス供給系統４には、燃料ガス（アノードガス）、例えば、水素ガスを貯蔵する燃料ガス供給装置４２、当該燃料ガス供給装置４２からの燃料ガスをアノードガスチャンネル２５に供給するための燃料ガス流路４０、アノードガスチャンネル２５から排気される燃料オフガスを燃料ガス流路４０に循環させるための循環流路（循環経路）５１が配管されており、これらのガス流路によって燃料ガス循環系統が構成されている。

燃料ガス供給装置４２は、例えば、高圧水素タンク、水素吸蔵合金、改質器などより構成される。燃料ガス流路４０には、燃料ガス供給装置４２からの燃料ガス流出を制御する遮断弁（元弁）４３、燃料ガスの圧力を検出する圧力センサ４４、循環経路５１の燃料ガス圧力を調整する調整弁（エジェクタ）４５、燃料電池２０への燃料ガス供給を制御する遮断弁４６が設置されている。

循環流路５１には、燃料電池２０から循環流路５１への燃料オフガス供給を制御する遮断弁５２、燃料オフガスに含まれる水分を除去する気液分離器５３および排出弁５４、アノードガスチャンネル２５を通過する際に、圧力損失を受けた燃料オフガスを圧縮して適度なガス圧まで昇圧させて、燃料ガス流路４０に還流させる水素ポンプ（循環ポンプ）５５、燃料ガス流路４０の燃料ガスが循環流路５１側に逆流するのを防止する逆流阻止弁５６が設置されている。水素ポンプ５５をモータによって駆動することで、水素ポンプ５５の駆動による燃料オフガスは、燃料ガス流路４０で燃料ガス供給装置４２から供給される燃料ガスと合流した後、燃料電池２０に供給されて再利用される。なお、水素ポンプ５５には、水素ポンプ５５の回転数を検出する回転数センサ５７および水素ポンプ５５前後の循環経路圧力を検出する圧力センサ５８・５９が設置されている。

また、循環流路５１には、燃料電池２０から排気された燃料オフガスを、希釈器（例えば水素濃度低減装置）６２を介して車外に排気するための排気流路６１が分岐して配管されている。排気流路６１にはパージ弁６３が設置されており、燃料オフガスの排気制御を行えるように構成されている。パージ弁６３を開閉することで、燃料電池２０内の循環を繰り返して、不純濃度が増加した燃料オフガスを外部に排出し、新規の燃料ガスを導入してセル電圧の低下を防止することができる。また、循環流路５１の内圧に脈動を起こし、ガス流路に蓄積した水分を除去することもできる。

一方、燃料電池システム１０の酸化ガス供給系統７には、カソードガスチャンネル２６に酸化ガス（カソードガス）を供給するための酸化ガス流路７１、およびカソードガスチャンネル２６から排気されるカソードオフガスを排気するためのカソードオフガス流路７２が配管されている。酸化ガス流路７１には、大気からエアを取り込むエアクリーナ７４、および、取り込んだエアを圧縮し、圧縮したエアを酸化剤ガスとしてカソードガスチャンネル２６に送給するエアコンプレッサ７５が設定されており、エアコンプレッサ７５には、エアコンプレッサ７５のエア供給圧力を検出する圧力センサ７３が設置されている。酸化ガス流路７１とカソードオフガス流路７２との間には湿度交換を行う加湿器７６が設けられている。カソードオフガス流路７２には、カソードオフガス流路７２の排気圧力を調整する調圧弁７７、カソードオフガス中の水分を除去する気液分離器６４、カソードオフガスの排気音を吸収するマフラー６５が設けられている。気液分離器６４から排出されたカソードオフガスは分流され、一方は、希釈器６２に流れ込み、希釈器６２内に滞留する燃料オフガスと混合希釈され、また分流された他方のカソードオフガスは、マフラー６５にて吸音され、希釈器６２により混合希釈されたガスと混合されて、車外に排出される。

また、燃料電池システム１０の電力系統９には、一次側にバッテリ９１の出力端子が接続され、二次側に燃料電池２０の出力端子が接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ９０、二次電池として余剰電力を蓄電するバッテリ９１、バッテリ９１の充電状況を監視するバッテリコンピュータ９２、燃料電池２０の負荷または駆動対象となる車両走行用モータ９４に交流電力を供給するインバータ９３、燃料電池システム１０の各種高圧補機９６に交流電力を供給するインバータ９５、燃料電池２０の出力電圧を測定する電圧センサ９７、および出力電流を測定する電流センサ９８が接続されている。さらに、燃料電池２０の各セルにおける電圧を検出するセルモニタ１０１が燃料電池２０に接続されている。セルモニタ１０１は、セルの最低電圧も検出するものであり、本発明の最低セル電圧検出部として機能するものである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、燃料電池２０の余剰電力または車両走行用モータ９４への制動動作により発生する回生電力を電圧変換してバッテリ９１に供給して充電させる。また、車両走行用モータ９４の要求電力に対する、燃料電池２０の発電電力の不足分を補填するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、バッテリ９１からの放電電力を電圧変換して二次側に出力する。

インバータ９３および９５は、直流電流を三相交流電流に変換して、車両走行用モータ９４および高圧補機９６にそれぞれ出力する。車両走行用モータ９４には、モータ９４の回転数を検出する回転数センサ９９が設置されている。モータ９４は、ディファレンシャルを介して車輪１００が機械的に結合されており、モータ９４の回転力を車両の推進力に変換可能となっている。

電圧センサ９７および電流センサ９８は、電力系統９に重畳された交流信号の電圧に対する電流の位相と振幅とに基づいて交流インピーダンスを測定するためのものである。交流インピーダンスは、燃料電池２０の含水量に対応している。

さらに、燃料電池システム１０には、燃料電池１２の発電を制御するための制御部８０が設置されている。制御部８０は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＡＭ、ＲＯＭ、インターフェイス回路などを備えた汎用コンピュータで構成されており、温度センサ３２、３６、圧力センサ４４、５８、５９、回転数センサ５７、７３、９９からのセンサ信号や電圧センサ９７、電流センサ９８、イグニッションスイッチ８２からの信号を取り込み、電池運転の状態、例えば、電力負荷に応じて各モータを駆動して、水素ポンプ５５およびエアコンプレッサ７５の回転数を調整し、さらに、各種の弁（バルブ）の開閉制御または弁開度の調整などを行うようになっている。

特に本実施形態において、制御部８０は、燃料電池システム１０の出力電力を制御するに際して、例えば、急速暖機中（走行用モータ９４の動作がない状態）では、車両用補機損失パワー、バッテリ充電量、高圧補機９６のパワー制限率に基づいて、車両システム要求パワー（システムに要求されるシステム要求電力）Ｐｒｅｑを演算し、システム要求パワーＰｒｅｑに対して、セルモニタ１０１の検出による最低セル電圧から定まる電流下限値を考慮して、車両システム要求電流を演算し、この演算により得られた車両システム要求電流に基づいて、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に対する指令値としての電流値・電圧値を演算し、この演算結果にしたがってＤＣ−ＤＣコンバータ９０の駆動を制御する制御演算部としての機能を備えている。

図２に、制御部８０が所定のコンピュータプログラムを実行することにより実現される本実施形態の機能ブロック図を示す。

図２に示すように、制御部８０は、制御演算部として、要求電流算出部８０ａと、第１の減算器８０ｂと、電力分配計算部８０ｃと、電流・電圧指令値計算部８０ｄと、第２の減算器８０ｅと、ＰＩ演算部８０ｆを備えて構成されている。

要求電流算出部８０ａは、システム要求電力Ｐｒｅｑに基づいて要求電流（車両システム要求電流）Ｉ０を算出し、算出した要求電流Ｉ０を第１の減算器８０ｂに出力する。第２の減算器８０ｅは、最低セル電圧基準値としてのしきい値Ｖｔｈとセルモニタ１０１の検出による最低セル電圧Ｖｍとの偏差ΔＶ＝Ｖｔｈ−Ｖｍを算出し、算出した偏差ΔＶをＰＩ演算部８０ｆに出力する。

図３に温度に対応した最低セル電圧基準値特性を示す。

最低セル電圧基準値とは、燃料電池の保護のため、低温時にセル電圧として許容できる逆電圧であり、水素ガス欠乏時の逆電位と抵抗値によるカソード電位減少量から算出される値である。制御部８０は、予め図３に示すような最低セル電圧基準値特性を最低セル電圧基準値マップ１０３としてメモリに保持している。

第２の減算器８０ｅは、しきい値Ｖｔｈとして最低セル電圧基準値特性のマップを参照する。そして第２の減算器８０ｅは、偏差ΔＶを算出するに際し、電流センサ（電流検出部）９８の検出電流と燃料電池２０の内部温度を検出する温度センサ３２、またはシステムの環境温度を検出する温度センサ１０２の検出温度を基に、図３のような、制御部８０のメモリに格納された最低セル電圧基準値マップ１０３を検索し、検出温度に対応した最低セル電圧基準値を示すしきい値Ｖｔｈを選択する。すなわち、しきい値Ｖｔｈは温度と電流に依存するところから、検出温度と検出電流とにしたがって最低セル電圧基準値マップ１０３を検索することとしている。図３において、しきい値Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２、Ｖｔｈ３は、それぞれ温度０℃、−２０℃、−３０℃における最低セル電圧基準値を示し、各最低セル電圧基準値は温度が高い程傾きが緩い直線の特性となっている。

ＰＩ演算部８０ｆは、第２の減算器８０ｅが算出した偏差ΔＶに基づいて、次の（１）式にしたがって、要求電流Ｉ０に対する電流制限値ΔＩを演算するようになっている。

電流制限値ΔＩ＝最低セル電圧偏差ΔＶ×比例ゲインＫｐ＋最低セル電圧積分値ΣΔＶ×積分ゲインＫｉ・・・（１）。

ＰＩ演算部８０ｆは、電流制限値ΔＩを要求電流Ｉ０の補正量として算出し、この算出値を第１の減算器８０ｂに出力する。第１の減算器８０ｂは、要求電流Ｉ０と電流制限値ΔＩとの偏差から、今回の目標電流値Ｉ１を算出し、算出した目標電流値Ｉ１を電力分配計算部８０ｃに出力する。

ここで、ＰＩ演算部８０ｆおよび第１の減算器８０ｂは、要求電流Ｉ０を電流制限値ΔＩにしたがって補正して目標電流値Ｉ１を算出するに際し、最低セル電圧Ｖｍがしきい値Ｖｔｈ以下になった場合には、電流制限を禁止、すなわち電流制限値ΔＩによる要求電流の補償をせずに目標電流値Ｉ１を算出することとしている。

図４に低効率運転時におけるＩＶ特性と最低セル電圧基準値特性との関係を示す。

図４に示すように、例えば、ある条件の下で−２０℃における動作点がＰ１で、最低セル電圧がＶｍ１であったときには、セルモニタ１０１から得られたセルのＩＶ特性は直線ｆ１で表される。また条件が異なるときに、−２０℃における動作点がＰ２で、最低セル電圧がＶｍ２であったときには、セルモニタ１０１から得られるセルのＩＶ特性はｆ２で表される。例えば、所定温度における最低セル電圧基準値特性を直線ｆ３で表すと、直線ｆ１と直線ｆ３との交点はＰ１’となり、直線ｆ２と直線ｆ３との交点はＰ２’となる。この場合、燃料電池２０による発電を継続するには、しきい値Ｖｔｈ２より低い最低セル電圧Ｖｍ１を示す動作点Ｐ１を動作点Ｐ１’に移動し、しきい値Ｖｔｈ２より低い最低セル電圧Ｖｍ２を示す動作点Ｐ２を動作点Ｐ２’に移動する必要がある。

動作点を移動するために、ＰＩ演算部８０ｆにおいて、ＩＶ特性の比例成分Ｐと積分成分Ｉとの和を基に演算を行うが、本実施形態では、説明を簡単にするために、図４では、比例成分ＰのＩＶ特性のみを示し、積分成分Ｉは省略している。

ここで、比例成分Ｐについてのみ考えると、動作点Ｐ１、Ｐ２における最低セル電圧偏差は、それぞれΔＶ１＝ｆ３（ＶＰ１）−Ｖｍ１、ΔＶ２＝ｆ３（ＶＰ２）−Ｖｍ２となる。ここで電圧ＶＰ１は、動作点Ｐ１におけるセル電圧、電圧ＶＰ２は、動作点Ｐ２におけるセル電圧を表す。

一方、求めるべき電流制限値ΔＩは、動作点Ｐ１、Ｐ２をそれぞれ動作点Ｐ１’、Ｐ２’に移動するために、ΔＩ１、ΔＩ２となる。これらは（２）式・（３）式で演算される。

ΔＩ１＝Ｋｐ×ΔＶ１＋Ｋｉ×ΣΔＶ１・・・（２）、
ΔＩ２＝Ｋｐ×ΔＶ２＋Ｋｉ×ΣΔＶ２・・・（３）。

ここで、直線ｆ１と直線ｆ２とを比べると、各直線ｆ１、ｆ２の傾きである比例ゲインＫｐは電流値の大小に伴って変化していることが分かる。すなわちΔＩ１よりもΔＩ２の方がΔＩとしての値は小さくよいことになる。

そこで、本実施形態では、電流制限値ΔＩを求めるに際しては、電流センサ９８の検出による電流値にしたがって比例ゲインＫｐを可変に変更するように構成している。例えば、電流値が増加するにしたがって比例ゲインＫｐの値を大きくする。

以上のような処理を経て得られた今回の目標電流値Ｉ１に基づいて、電力分配計算部８０ｃは、燃料電池２０に対する電力指令値の上下限を算出し、算出結果Ｐｃを電流・電圧指令値計算部８０ｄに出力する。この電力指令値に対する上下限は、スタックの容量成分等によって充放電が発生することによる出力精度の悪化、エア供給量変動に起因するシステム要求パワーのハンチングの発生を防止するためである。

電流・電圧指令値計算部８０ｄは、電力分配計算部８０ｃの算出結果を基に、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０に電流指令値および電圧指令値を出力する。この電流指令値および電圧指令値は、燃料電池２０における実際の出力電流・出力電圧を規定する制御信号となる。

次に、図５のフローチャートにしたがって、制御部８０の処理内容を説明する。

まず、制御部８０の要求電流算出部８０ａは、燃料電池システム１０の出力電力を制御するに際して、システム要求電力Ｐｒｅｑから燃料電池２０に対する要求電流Ｉ０を算出する（Ｓ１）。次いで、制御部８０の第１の減算器８０ｂは、セルモニタ１０１の検出による最低セル電圧Ｖｍを取り込む（Ｓ２）。次いで第２の減算器８０ｂは、燃料電池２０の温度および出力電流を検出し、検出温度に対応した最低セル電圧基準値マップ１０３を参照し、検出電流に対応する最低セル電圧基準値を読み出す（Ｓ３）。そして、第１の減算器８０ｂは、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧基準値よりも低いか否かを判定する（Ｓ４）。

判定の結果、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧基準値以上であるときには（ＹＥＳ）、本発明に係る電流制限処理は不要であるため、そのままこのルーチンでの処理を終了する。

一方、最低セル電圧Ｖｍが最低セル電圧基準値よりも小さいときには（ＮＯ）、本発明の電流制限処理を実施する。すなわち、制御部８０の第２の減算器８０ｅは、最低セル電圧基準マップ１０３から得られたしきい値（最低セル電圧基準値）Ｖｔｈと、検出されたセル電圧Ｖｍとの偏差ΔＶを算出する（Ｓ５）。次いで制御部８０のＰＩ演算部８０ｆは、算出した偏差ΔＶから（１）式にしたがって要求電流Ｉ０の補正量として電流制限値ΔＩを算出する（Ｓ６）。この際、現時点の電流値（例えば電流センサ９８の検出電流）に応じて比例ゲインＫｐを可変に変更し、ＰＩ演算を行って電流制限値ΔＩを算出する。

次に、制御部８０の第１の減算器８０ｂは、要求電流Ｉ０と電流制限値ΔＩとの偏差を求め、この偏差を今回の目標電流値Ｉ１とするために出力する（Ｓ７)。次いで、制御部８０の電力分配計算部８０ｃは、要求電流Ｉ０を電流制限値ΔＩで補正して得られた目標電流値Ｉ１にしたがって電力指令値の上下限を算出する（Ｓ８）。そして制御部８０の電流・電圧指令値計算部８０ｄは、算出された電力指令値を基にＤＣ−ＤＣコンバータ９０を制御するための駆動信号である電圧指令値および電流指令値を出力する（Ｓ９）。すなわち、セル電圧Ｖｍがしきい値（最低セル電圧基準値）Ｖｔｈ以下にならないようにするための目標電流値Ｉ１にしたがって燃料電池２０の発電量および出力電力を制御し、このルーチンでの処理を終了する。

以上、本実施形態によれば、システム要求電力Ｐｒｅｑにしたがって要求電流Ｉ０を算出し、要求電流Ｉ０をセルモニタ１０１の検出によるセル電圧Ｖｍに基づいてＰＩ補償演算で要求電流Ｉ０を補正して目標電流Ｉ１を算出するに際して、要求電流Ｉ０の補正量としての電流制限値ΔＩをΔＩ＝ΔＶ×Ｋｐ＋ΣΔＶ×Ｋｉにしたがって行うときに、現時点の電流値にしたがって比例ゲインＫｐを可変に変更するようにしたため、燃料電池２０の電流を目標電流値Ｉ１にするための制御性を高めることができる。

また、システムを停止するに際しては、セル電圧Ｖｍとしきい値（最低セル電圧基準値）Ｖｔｈとの最低セル電圧偏差ΔＶを所定時間積分し、最低セル電圧偏差ΔＶの積分値が判定時間×積分時間よりも小さくなったときにシステムを停止することができる。

この場合、判定電圧が仮に０．５Ｖであり、積分時間を１秒とすると、最低セル電圧偏差ΔＶ＝０．１Ｖが５秒間継続されると、システムの動作の継続が許容されるので、最低セル電圧偏差ΔＶ＝最低セル電圧基準値Ｖｔｈ−最低セル電圧Ｖｍが正となることが、一定時間以上継続することを条件とすることもできる。

本発明に係る燃料電池システムのシステム構成図である。 制御部のブロック構成図である。 最低セル電圧基準値マップの特性図である。 電流制限値と最低セル電圧偏差を求めるためのＩＶ特性図である。 制御部による処理を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 燃料電池システム、２０ 燃料電池、４０ 燃料ガス流路、５５ 水素ポンプ、７５ エアコンプレッサ、８０ 制御部、１０１ セルモニタ、１０２ 温度センサ

Claims (4)

1. 複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
   各該セルにおけるセル電圧を検出するセル電圧検出部と、
   システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を該セル電圧検出部の検出による最低セル電圧に基づいてＰＩ補償する制御演算部と、を備え、
   該制御演算部は、現在の該燃料電池の電流値に基づいて要求電流の該ＰＩ補償のための比例ゲインを変更することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記制御演算部は、
   前記セル電圧検出部の検出による最低セル電圧が所定の許容電圧以下となった場合に、システムを停止する、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記制御演算部は、
   所定の最低セル電圧しきい値Ｖｔｈと前記最低セル電圧Ｖｍとの差をΔＶとし、該比例ゲインをＫｐとし、積分ゲインをＫｉとしたときに、前記要求電流の補正量ΔＩを、Ｋｐ×ΔＶ+Ｋｉ×ΣΔＶで演算する、請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 複数のセルを有する燃料電池を備えた燃料電池システムのための電流制御方法であって、
   各該セルにおけるセル電圧を検出するステップと、
   システムに要求されるシステム要求電力に対応した要求電流を、最低セル電圧に基づいてＰＩ補償するステップと、
   現在の該燃料電池の電流値に基づいて要求電流の該ＰＩ補償のための比例ゲインを変更するステップを備えたことを特徴とする燃料電池システムのための電流制御方法。

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